Untuk proses pendidihan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.5c, suhu lingkungan $T_{\infty}$ dalam hukum pendinginan Newton digantikan oleh suhu jenuh fluida, $T_{sat}$. Tinjau situasi di mana fluks kalor dari pelat panas adalah $q” = 20 \times 10^5 \text{ W/m}^2$. Jika fluida tersebut adalah air pada tekanan atmosfer dan koefisien perpindahan kalor konveksi adalah $20 \times 10^3 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$, tentukan suhu permukaan atas pelat, $T_{s,w}$. Dalam upaya untuk meminimalkan suhu permukaan, seorang teknisi mengusulkan penggantian air dengan fluida dielektrik yang memiliki suhu jenuh $T_{sat,d} = 325,15 \text{ K}$. Jika koefisien perpindahan kalor yang terkait dengan fluida dielektrik tersebut adalah $h_d = 3 \times 10^{3} \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$, apakah rencana teknisi tersebut akan berhasil?
Kita identifikasi data yang diperlukan
- Fluks Kalor ($q”$): $20 \times 10^5 \text{ W/m}^2$
- Koefisien Perpindahan Kalor Air ($h_{air}$): $20000 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
- Koefisien Perpindahan Kalor Dielektrik ($k_{dielektrik}$): $3000 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
- Suhu Jenuh Air ($T_{sat,a}$): $373,15 \text{ K}$
- Suhu Jenuh Fluida ($T_{sat,d}$): $325,15 \text{ K}$
Kita cari nilai suhu permukaan atas pelat menggunakan hukum pendinginan Newton
$$q”_{air} = h_{air} (T_s – T_{sat})$$
$$20 \times 10^5 = 20 \times 10^3 \cdot (T_s – 373,15)$$
$$T_{s,air} – 373,15 = \frac{20 \times 10^5}{20 \times 10^3}$$
$$T_{s,air} – 373,15 = 100$$
$$\mathbf{T_{s,air} = 473,15 \text{ K}}$$
Kita cari nilai suhu permukaan atas pelat menggunakan hukum pendinginan Newton
$$q”_{dielektrik} = h_{dielektrik} (T_s – T_{sat})$$
$$20 \times 10^5 = 3 \times 10^3 \cdot (T_s – 325,15)$$
$$T_{s,dielektrik} – 325,15 = \frac{20 \times 10^5}{3 \times 10^3}$$
$$T_{s,dielektrik} – 325,15 = 666,666$$
$$\mathbf{T_{s,dielektrik} = 991,816 \text{ K}}$$
Rencana teknisi tersebut GAGAL TOTAL.
Meskipun fluida dielektrik memiliki suhu jenuh yang jauh lebih rendah ($325,15 \text{ K}$ dibanding $373,15 \text{ K}$), fluida tersebut memiliki sifat termofisika yang buruk untuk mendidih sehingga koefisien konveksinya jatuh drastis menjadi hanya $3.000 \text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
Akibat rendahnya koefisien konveksi ini, hambatan termal pelat untuk membuang panas menjadi sangat besar. Suhu permukaan pelat justru melonjak ekstrem dari yang semula $473,15 \text{ K}$ (saat menggunakan air) meroket menjadi $991,816 \text{ K}$ (saat menggunakan cairan dielektrik). Kenaikan suhu yang sangat tinggi ini justru berisiko melelehkan atau merusak pelat panas tersebut.
